Способ получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина

Патент 2169743

Авторы

Реферат

Изобретение относится к технологии получения нитратов целлюлозы (НЦ), в частности к способам получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, и может быть широко использовано при изготовлении красок, лаков, пленок и других видов товаров народного потребления. Описывается способ получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, который включает изготовление водной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина, их пластификацию в присутствии технологических добавок, отделение жидкой фазы суспензии от твердой фазы. Новым является то, что готовят водную суспензию с концентрацией нитроцеллюлозы или коллоксилина 2-12 мас.%, затем берут основной и/или вспомогательный пластификатор или их смесь, вводят технологические добавки в пластификатор, смешивают их и получают однородную смесь, из которой изготавливают эмульсию с размерами частиц 10-2000 мкм. Затем вводят полученную эмульсию в водную суспензию нитроцеллюлозы или коллоксилина и перемешивают смесь до ее однородности. После этого обезвоживают смесь на отжимном червячном фильтр-прессе при давлении 7-40 МПа до влажности нитроцеллюлозы или коллоксилина 4-8% и измельчают режущими элементами. В качестве основного пластификатора используют диоктил или дибутилфталат, а в качестве вспомогательного - хлорпарафин или их смесь в соотношении 4:1 - 1:1 соответственно. В качестве технологических добавок используют соли предельных жирных одноосновных кислот, например, соли стеариновой кислоты в количестве 0,1-3% от массы коллоксилина. Технический результат - расширение ассортимента технических средств. 1 з.п. ф-лы.

Известен способ получения нитроцеллюлозы, включающий диспергирование водной суспензии нитроцеллюлозы, пластификацию, перемешивание, обезвоживание и гранулирование (патент Великобритании N 1201010, C 08 B 5/04, 1969 г.) - аналог.

Известен также способ получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, включающий приготовление водной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина, эмульсии пластификатора с добавлением технологических добавок, смешение суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина с указанной эмульсией, перемешивание смеси до ее однородности и обезвоживание (патент N 481951 A1, C 08 B 5/04, Швеция, 1970 г.) - прототип.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в расширении арсенала технических средств.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, заключается в реализации указанной выше задачи - расширение арсенала технических средств для способов получения пластифицированной нитроцелюлозы или коллоксилина.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, включающем приготовление водной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина, эмульсии пластификатора с добавлением технологических добавок, смешение суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина с указанной эмульсией, перемешивание смеси до ее однородности и обезвоживание, согласно изобретению, в качестве пластификатора используют основной пластификатор, например, диоктилфталат или дибутилфталат и т.д. или смесь основного и вспомогательного пластификатора, например, хлорпарафин и т. д., причем основной пластификатор и вспомогательный пластификатор используют в соотношении 4:1-1:1 соответственно. В качестве технологических добавок используют соли предельных жирных одноосновных кислот, например, соли стеариновой кислоты, в количестве 0,1-3,0% от массы нитроцеллюлозы или коллоксилина, эмульсию изготавливают с размерами частиц 10-2000 мкм, а обезвоживание проводят на отжимном червячном фильтр-прессе при давлении 7-40 МПа и температуре 50-95^oC до влажности нитроцеллюлозы или коллоксилина 4-8%. После обезвоживания измельчают нитроцеллюлозу или коллоксилин режущими элементами.

Сопоставительный анализ заявляемого способа получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина с прототипом показывает, что заявляемый способ имеет общие признаки с прототипом: готовят водную суспензию нитроцеллюлозы или коллоксилина; готовят эмульсию пластификатора с добавлением технологических добавок; смешивают суспензию нитроцеллюлозы или коллоксилина с эмульсией; перемешивают смесь до ее однородности; проводят обезвоживание смеси.

Заявляемый способ получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина отличается от прототипа новыми признаками: в качестве пластификатора используют основной пластификатор, например, диоктилфталат или дибутилфталат или смесь основного и вспомогательного пластификаторов, например, хлорпарафин; основной пластификатор и вспомогательный пластификатор используют в соотношении 4:1-1:1 соответственно; в качестве технологических добавок используют соли предельных жирных одноосновных кислот, например, соли стеариновой кислоты, в количестве 0,1-3% от массы нитроцеллюлозы или коллоксилина; эмульсию готовят с размерами частиц 10-2000 мкм; обезвоживание проводят на отжимном червячном фильтр-прессе; обезвоживание проводят при давлении 7-40 МПа до влажности нитроцеллюлозы или коллоксилина 4-8%; обезвоживание проводят при температуре 50-95^oC; после обезвоживания измельчают нитроцеллюлозу или коллоксилин режущими элементами.

Из приведенного перечня признаков заявляемого способа получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина и достижения поставленной задачи наглядно видно, что заявляемое техническое решение представляет собой новую совокупность признаков, как сочетание известных и новых признаков, обеспечивающих получение нового технического результата, неизвестного на дату подачи заявки. Новый технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в расширении арсенала технических средств для способа получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина.

Предлагаемый способ получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина промышленно применим, т.к. он может быть широко использован при изготовлении красок, лаков, пленок и других видов товаров народного потребления.

Техническое решение заявляемого объекта соответствует критерию "новизна", т. к. он не известен из уровня техники на дату подачи заявки. Не известна из уровня техники совокупность существенных признаков заявляемого технического решения и их влияние на получение требуемого технического результата.

Техническое решение заявляемого объекта соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками, и не обнаружена известность влияния отличительных признаков на получаемый технический результат.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствуют всем критериям, предъявляемым к изобретению, и обеспечивает получение нового технического результата.

Пример осуществления способа.

Учитывая то обстоятельство, что концентрация водной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина оказывает существенное значение, с одной стороны, на производительность процесса переработки, а с другой стороны, на работу технологического оборудования, т.е. существует оптимальная концентрация суспензии, при которой обеспечивается наивысшая производительность переработки и оптимальная, эффективная работа технологического оборудования. Изготовили водные суспензии со следующей концентрацией нитроцеллюлозы или коллоксилина (мас. %): 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0; 11,0; 12,0; 13,0; 14,0; 15,0. В результате проведенных экспериментов было выявлено, что оптимальной концентрацией суспензии является концентрация 2-12 мас.%. При концентрации суспензии менее 2 мас.% имеет место неоправданно низкая производительность процесса переработки суспензии по ее твердой фазе. При концентрации 2 мас.% имеет место скачкообразное увеличение производительности процесса переработки суспензии. Налипания твердой фазы суспензии на стенках трубопроводов и технологического оборудования практически не происходит. При увеличении концентрации твердой фазы суспензии происходит увеличение производительности процесса ее переработки, а также происходит увеличение количества налипаемой твердой фазы суспензии на внутренних поверхностях трубопроводов и технологического оборудования. Верхний передел концентрации 12 мас.% является оптимальным, т.к. именно при данной концентрации твердой фазы суспензии обеспечивается наиболее удачное сочетание двух указанных выше факторов - производительность и оптимальность, эффективность работы технологического оборудования. При концентрации твердой фазы суспензии выше 12 мас.% происходит значительное налипание твердой фазы на поверхности трубопроводов и стенки технологического оборудования, что снижает эффективную работу всего технологического оборудования и снижает производительность всего процесса переработки в целом. Указанный признак, касающийся оптимальной концентрации суспензии (2-12 мас.%), в большей части диапазона перекликается с известным техническим решением в части концентрации суспензии (3-10 мас.%).

Считаем необходимым дать определение ключевых понятий, которые используются в тексте настоящей заявки. Пластификаторы - вещества, вводимые в полимерные материалы для придания (или повышения) эластичности и(или) пластичности при переработке и эксплуатации. Они облегчают диспергирование в полимерах сыпучих ингредиентов, снижают температуры текучести (переработки), хрупкости (морозостойкости) и стеклования полимерных материалов ("Химическая энциклопедия", научное изд. "Большая российская энциклопедия", М., 1992 г., т. 3, стр. 562).

Пластификация полимеров - повышение эластичности и(или) пластичности полимерного материала, обусловленное введением низкомолекулярных веществ (пластификаторов) ("Химическая энциклопедия", научное изд. "Большая российская энциклопедия", М., 1992 г., т. 3, стр. 563).

Основной пластификатор - вещество, которое в максимальной степени обеспечивает пластификацию перерабатываемого материала.

Вспомогательный пластификатор - вещество, которое не может быть использовано самостоятельно для пластификации в силу своей низкой эффективности, а используется в качестве вспомогательного вещества с основным пластификатором.

Нитроцеллюлоза (нитрат целлюлозы) - сложный эфир целлюлозы и азотной кислоты (Краткая химическая энциклопедия. Изд. "Советская энциклопедия", М., 1964 г., стр. 551). Коллоксилин - один из видов нитроцеллюлозы с содержанием азота 10,7-12,2%. (Краткая химическая энциклопедия. Изд. "Советская энциклопедия", М., 1964 г., стр. 551).

Технологические добавки (ТД) - вещества, облегчающие процесс переработки. При переработке материала "трение между полимерным расплавом и металлическими поверхностями оборудования для переработки, которое может оказать существенное влияние на текучесть расплава и вызвать такие нежелательные эффекты, как низкая производительность и плохое качество поверхности получаемого продукта" (Книга. Л.Маския, "Добавки для пластических масс", М., изд. "Химия", 1978 г., стр. 43). Говоря о ТД мы имеем ввиду вещества - смазки и добавки, облегчающие процесс переработки (там же, например, стр. 45, таб. 2.4. ). Указанные вещества широко известны и применяются в технической химии при переработке полимеров и других веществ. Авторы-заявители предлагают применить широко известные ТД по своему прямому назначению.

Приготовили эмульсию пластификатора с технологическими добавками (ТД) путем смешения их между собой и получили однородную смесь. ТД использовали в количестве 0,01-3,0% от массы нитроцеллюлозы или коллоксилина. В качестве пластификатора использовали только основные пластификаторы из числа наиболее распространенных, например, триацетин, диоктилфталат, дибутилфталат, трикрезилфосфат и т.д. В качестве ТД использовали вещества из ряда веществ - соли жирных предельных одноосновных кислот, например, соли стеариновой кислоты. ТД оказывают влияние на процесс переработки смеси в частности на процесс обезвоживания нитроцеллюлозы или коллоксилина и на энергозатраты процесса переработки смеси в целом. Оптимальное количество ТД, которое было подобрано в результате эксперимента - 0,1-3,0% от массы нитроцеллюлозы или коллоксилина. При количестве ТД менее 0,1% от массы нитроцеллюлозы или коллоксилина наблюдаются повышенные энергозатраты при переработке. При количестве ТД 0,1% - наблюдается удовлетворительное сочетание энергозатраты - качество обезвоживания. При количестве ТД 3,0% также наблюдается приемлемое сочетание энергозатраты-качество обезвоживания. При количестве ТД более 3,0% падает качество обезвоживания, т.е. получается нитроцеллюлоза или коллоксилин повышенной влажности, которая не соответствует требуемой влажности. Затем изготовили эмульсию смеси двух пластификаторов - основного и вспомогательного пластификатора с ТД. В качестве основного пластификатора использовали, например, такие, как: диоктилфталат, дибутилфталат и т.д., а в качестве вспомогательного пластификатора, например, такие, как: хлорпарафин, касторовое масло и т.д. и подобрали их оптимальное соотношение 4:1-1:1 соответственно. Указанные пределы соотношения основного и вспомогательного пластификаторов обусловлены тем, что основной пластификатор имеет более высокую пластифицирующую активность, чем вспомогательный пластификатор и повышение его содержания в смеси выше верхнего предела (4:1) приводит к резкому снижению вязкости смеси и повышению цены единицы веса нитроцеллюлозы или коллоксилина. В результате обработки такой нитроцеллюлозы или коллоксилина на червячном фильтр-прессе не возможно обеспечить получение требуемого давления обезвоживания, что в свою очередь приводит к получению нитроцеллюлозы или коллоксилина низкого качества, по показателю влажности. При меньшем содержании в смеси активных пластификаторов (меньше чем 1:1) наоборот возрастает жесткость смеси, что приводит к увеличению энергозатрат переработки смеси свыше допустимой величины - 40 кВт-ч на тонну массы, что запрещено техникой безопасности.

Изготовили эмульсию с оптимальными размерами частиц 10-2000 мкм. Указанные пределы размеров частиц эмульсии обусловлены тем, что при размере частиц более 2000 мкм не достигается однородность распределения пластификатора и технологических добавок в смеси, появляются частицы коллоксилина, не обработанные пластификатором, что приводит к низкому качеству нитроцеллюлозы или коллоксилина. При размере частиц менее 10 мкм получаются значительные потери пластификатора и технологических добавок при обезвоживании смеси на червячном фильтр-прессе, а это в свою очередь ведет к неоправданному увеличению себестоимости изготовления продукции и загрязнению окружающей среды.

Затем ввели полученную эмульсию в водную суспензию нитроцеллюлозы или коллоксилина и перемешали смесь до ее однородности. После этого провели обезвоживание смеси на отжимном червячном фильтр-прессе. Процесс обезвоживания вели при давлении 7-40 МПа. Указанное давление является наиболее оптимальным по следующим причинам. При давлении меньше 7 МПа не происходит эффективного удаления влаги из перерабатываемой смеси и получается конечный продукт низкого качества с повышенной влажностью. При давлении большем 40 МПа происходит неоправданно резкое увеличение энергозатрат, что отрицательно влияет на безопасность ведения процесса переработки смеси на червячном фильтр-прессе.

Температура, при которой осуществляли процесс обезвоживания смеси, оказывает влияние на процесс переработки на червячном фильтр-прессе. Оптимальная температура переработки на червячном фильтр-прессе - 50-95^oC. При температуре меньше 50^oC вязкость перерабатываемой смеси слишком велика и энергозатраты на единицу перерабатываемой смеси превышают 40 кВт-ч/т, что запрещено по технике безопасности (может произойти самовозгорание смеси). При температуре большей, чем верхний предел - 95^oC, вязкость смеси слишком мала и давление в червячном фильтр-прессе не может достичь требуемой величины, готовый продукт не соответствует требованиям качества по показателю влажности.

После резки вращающимися режущими элементами экструдируемой и обезвоженной смеси получается крошка или гранулы с влажностью 4-8%. Указанная влажность обусловлена следующими обстоятельствами. При влажности больше 8% происходит снижение качества тех материалов, где используется полученная нитроцеллюлоза или коллоксилин. Для получения влажности меньше 4% нет никакой необходимости, т.к. не требуется нитроцеллюлоза или коллоксилин для изготовления товаров народного потребления с меньшей влажностью. Кроме того, для получения материала влажностью менее 4% требуются значительные энергозатраты, которые запрещены по технике безопасности.

Таким образом, заявляемое техническое решение "Способ получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина" обеспечивает достижение поставленной задачи и получение нового технического результата.

Формула изобретения

1. Способ получения пластифицированной нитроцеллюлозы или коллоксилина, включающий приготовление водной суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина, эмульсии пластификатора с добавлением технологических добавок, смешение суспензии нитроцеллюлозы или коллоксилина с указанной эмульсией, перемешивание смеси до ее однородности и обезвоживание, отличающийся тем, что используют водную суспензию нитроцеллюлозы или коллоксилина с концентрацией 2-12 мас.%, в качестве пластификатора используют основной пластификатор или смесь основного и вспомогательного пластификатора в соотношении 4 : 1 - 1 : 1 соответственно, в качестве технологических добавок - соли предельных жирных одноосновных кислот в количестве 0,1 - 3,0 мас.% от массы нитроцеллюлозы или коллоксилина, а размер частиц эмульсии составляет 10-2000 мкм, при этом обезвоживание осуществляют на отжимном червячном фильтр-прессе при давлении 7-40 МПа и температуре 50-95°С до влажности нитроцеллюлозы или коллоксилина 4-8% с последующим измельчением режущими элементами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного пластификатора используют диоктилфталат или дибутилфталат, вспомогательного пластификатора - хлорпарафин, а технологических добавок - соли стеариновой кислоты.